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客机下降都要跑道,鸟儿凭什么能想停哪就停哪?

时刻: 2019年12月27日 | 作者: Nature天然科研 | 来历: Nature天然科研
树栖鸟类能够随意下降在巨细和纹路各异的栖木上。力气丈量和视频剖析显现,鸟类安稳下降的才干首要依赖于它们能又快又稳地调整脚垫和尖利的爪子。


只需略微查询一下翱翔的小鸟、蝙蝠和昆虫,就会发现这些生物能够熟练且毫不费力地在各种外表着陆和起飞,无论是树枝、电话线、花朵仍是岩石。相比之下,客运飞机一般需求又长又平的跑道才干完结相同的任务,即便如此,起飞或下降也容易发生事端。跟着航空无人机的使用场景不断增多1-4,小型无人机在空气动力学和动力功率上面对种种应战5,研讨人员想要开发出新的无人机规划,进步它们在一系列杂乱外表的着陆成功率。Roderick等人6在eLife上宣布的文章剖析了太平洋鹦哥(Forpus coelestis)如安在不同品种的栖木上下降,为这些鸟类的着陆办法供给了新见地。


之前的研讨7经过剖析鸟类、蝙蝠和陆地哺乳动物的脚和爪子,研讨了这些脊椎动物是怎么捉住物体外表的。这项研讨选用的办法包含用来确认足、趾和爪几许形状的比较形态学剖析、动物运动研讨(名为描绘运动学)或静态握力测验。从剖析中能够看出,动物的爪形随动物体型巨细,以及它们在天然环境中的惯例用爪办法而异。比方,用于地上奔驰和转换方向的爪子一般比用于攀爬的爪子更深、曲折度更小。可是,动物怎么使用脚和爪子的力气支撑它们平稳着陆,比方鸟儿如安在树枝上逗留等,仍缺少动力学和力气方面的研讨。


太平洋鹦哥是一种树栖鸟类,原产于厄瓜多尔和秘鲁的山林中。Roderick等人研讨了这种鸟在七种直径和纹路各异的天然或人工栖木上的着陆办法(图1),包含粗糙、柔柔和润滑的外表。研讨人员一共测验了三种树的枝桠,其间一种树名为异木绵(Ceiba speciosa),多见于这种鸟类的天然栖息地。


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图1 | 太平洋鹦哥(Forpus coelestis)在栖木上的下降办法。Roderick等人6使用各种办法和高速视频记载,评价了鸟类在着陆进程中遭到的各种力。a)当一只小鸟快要着陆时,它的翅膀、身体和腿的姿态都与之前研讨8,9相共同,标明鸟类在着陆时会使用视觉头绪为下降做准备。在这个阶段,鸟儿的脚趾和爪子处于扩展状况。b)当鸟快要与栖木直触摸摸时,它的脚趾开端收拢,这一进程名为“预成形”。c)当鸟的脚趾触摸到栖木时,脚趾会敏捷包裹栖木并用力揉捏。d)尖利的爪子开端曲折。假如栖木外表润滑,整个进程会十分快(1-2毫秒)。


为了能独立丈量栖木的前后着陆面,作者将栖木分为两半,各自固定在一个力与力矩传感器上,记载鸟儿感遭到着陆力和旋转暴力的时刻和特征;两种力气都遭到着陆办法的影响。作者还丈量了鸟儿着陆时脚和爪子发生的揉捏力。将这些丈量数据与鸟儿翅膀、身体、腿、脚和爪子着陆运动的近距离高速视频记载相结合,可知与安稳栖停相关的着陆进程的具体信息(论文视频拜见go.nature.com/2nbfhtq和go.nature.com/2perfs9)。


作者陈述说,鸟类在任何一个特定的栖木上着陆时,其翅膀和腿的运动办法是共同的,着陆力和旋转暴力在每个着陆进程的时刻范围内会共同改变。这种着陆战略契合之前的研讨结果8,9,即鸟类和昆虫使用视觉头绪挨近着陆方针,以便调整自己的身体姿态,在估量的时刻内与着陆面触摸。


着陆的开始阶段是猜测阶段,随后是快速调整阶段。这或许需求来自鸟类皮肤、肌肉和关节感受器的本体感觉反应,以及它们与神经系统的沟通,由于鸟类需求揉捏栖木、在栖木外表拖动脚垫和爪子,以完成安稳的抓握。Roderick和搭档使用激光扫描和压痕测验来评价栖木外表特征的改变,将鸟类脚趾和爪子感遭到的冲突力与其抓握动作相关起来,并显现鸟儿怎么经过调整爪子,锚定在直径和外表特征各不相同的栖木上。


关于较难捉住的栖木外表,比方大直径的栖木或着陆冲突小的栖木,鸟儿爪子的曲折程度会更大。在这个抓握阶段,脚趾感遭到的冲突力(关于必定类型栖木来说是高度共同的)随后会加强,趾尖施加于栖木外表的抓力也会一起加强且难以猜测。这种战略为鸟儿捉住栖木供给了相当于蛇10和机器人11所能到达安稳安全余量,逾越人类捉住小物体的安全余量12。一旦能在栖木上坚持平稳,鸟儿就会放松抓力,防止肌肉活动带来不必要的继续能量消耗。


Roderick和搭档的研讨有一个限制,他们没有查询神经系统在操控握力以完成安稳着陆中的效果。作者指出这些爪子会做极快(1-2毫秒)的初始锚定运动,阐明这种运动或许归于一种快速的固有弹性机制,不触及神经操控。但是,在这些极快的动作之后,脚趾和爪子会进行一些继续时刻更长的调整,或有助于它们树立安稳的抓力,然后放松抓握。这些较慢的调整或许需求经过神经系统的本体感觉反应。这种反应操控能够经过记载下降和栖停进程中的肌肉活动和力气形式来评价。另一种办法是用麻醉药按捺鸟类脚垫中机械感觉受体的活动,借此确认脚垫的感觉反应是否会影响这些脚部动作以及鸟类的着陆才干。


这项研讨的着陆飞翔时刻很短,并且是在同一水平面上的栖木之间进行的。但是,太平洋鹦哥在寻食时或许会飞到高处或低处的栖木。因而,调查它们的身体朝向和着陆力是否会跟着陆飞翔的轨道改变也是十分风趣的。或许,这种飞翔在着陆进程的前期阶段与作者发现的形式并不共同。但无论怎么,Roderick和搭档的具体生物力学剖析为进一步探求脚部、脚趾和爪子怎么协助动物安稳捉住外表的研讨工作供给了重要的路线图。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02959-w

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